摘要：

目前果蔬采摘大多以人工采摘為主，存在效率低、采摘成本大等缺點(diǎn)，同時(shí)隨著人口老齡化問題的日益嚴(yán)重，勞動(dòng)力緊缺，制約農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。末端執(zhí)行器作為果蔬采摘機(jī)器人的關(guān)鍵部件，在很大程度上影響著采摘機(jī)器人的采摘率和損傷率，對(duì)末端執(zhí)行器的研究具有至關(guān)重要的意義。充分闡述當(dāng)前國(guó)內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀。根據(jù)采摘方式和驅(qū)動(dòng)方式的不同對(duì)采摘末端執(zhí)行器進(jìn)行歸納，總結(jié)出采摘過程中致?lián)p原因。通過列舉典型采摘末端執(zhí)行器，分析末端執(zhí)行器在采摘過程中果實(shí)致?lián)p的原因；通過對(duì)現(xiàn)有采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器方案的具體參數(shù)對(duì)比梳理，提出存在識(shí)別定位不準(zhǔn)、采摘效率低等問題，并從損傷率、采摘效率等方面對(duì)未來末端執(zhí)行器進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：果蔬采摘；末端執(zhí)行器；機(jī)器人；果實(shí)致?lián)p；智能化；機(jī)械化

中圖分類號(hào)：S225； TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 04-0231-06

收稿日期：2022年9月17日" 修回日期：2023年1月9日

基金項(xiàng)目：江蘇省重點(diǎn)計(jì)劃（產(chǎn)業(yè)前瞻與關(guān)鍵核心技術(shù)）重點(diǎn)項(xiàng)目（BE2021016—2）；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)推廣項(xiàng)目（NJ2021—18）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CX（22）3099）

第一作者：胡皓若，男，1997年生，南京人，碩士研究生；研究方向?yàn)樗烧獧C(jī)器人設(shè)計(jì)。E-mail： 1113949361@qq.com

通訊作者：王金鵬，男，1979年生，河南商丘人，博士，副教授；研究方向?yàn)檗r(nóng)林機(jī)械及其自動(dòng)化。E-mail： jpwang@njfu.edu.cn

Research status and analysis of end-effector of fruit and vegetable picking robot

Hu Haoruo， Zhang Yueyue， Zhou Jialiang， Chen Qing， Wang Jinpeng

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing，210037， China）

Abstract：

At present， most of the fruit and vegetable picking is mainly based on manual picking， which has disadvantages such as low efficiency and large picking cost， while the problem of labor shortage restricts the rapid development of agriculture as the population aging problem becomes more and more serious. The end-effector， as a key component of fruit and vegetable picking robot， largely affects the picking rate and damage rate of the picking robot， and the research on the end-effector is of vital significance. The current research status of fruit and vegetable picking robots at home and abroad is fully described. The end-effectors of picking are summarized according to the different picking and driving methods， and the causes of damage in the picking process are summarized. By citing typical end-effectors of picking， we analyze the causes of fruit damage during the picking process. By comparing the specific parameters of existing picking robot end-effector solutions， the problems of inaccurate identification and positioning， low picking efficiency， etc. are presented， and the future end-effectors are prospected in terms of damage rate and picking efficiency.

Keywords：

fruit and vegetable picking; end effector; robot; damage to fruit; intelligent; mechanization

0 引言

近十年來，我國(guó)果蔬業(yè)持續(xù)蓬勃發(fā)展，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)基地和智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)水果種植區(qū)域規(guī)范化，截至2021年全國(guó)水果總產(chǎn)量高達(dá)2.997×108t，位列世界第一［1］。隨著果蔬產(chǎn)業(yè)效益越來越明顯，由于果蔬人工采摘存在成本費(fèi)用高、采摘效率低等問題，果蔬產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺的矛盾日益顯現(xiàn)［2］。果蔬采摘機(jī)器人能夠提高采摘效率、降低成本，實(shí)現(xiàn)果蔬業(yè)的機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)［3］。因此，果蔬采摘機(jī)器人的研究與發(fā)展對(duì)整個(gè)果蔬業(yè)有著深遠(yuǎn)影響［4］。

我國(guó)相比于發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究較晚，加上農(nóng)業(yè)機(jī)器人采摘時(shí)環(huán)境的特殊性、復(fù)雜性以及對(duì)采摘精度、成功率、損傷率的要求，就導(dǎo)致我國(guó)果蔬采摘末端執(zhí)行器研究尚處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段［5， 6］。因此，研究適用于果蔬采摘方面的末端執(zhí)行器用于提高采摘效率、降低果蔬損傷率和降低人工成本具有重要意義［7］。

1 采摘方式

目前適用于果蔬選擇性采摘的末端執(zhí)行器，從動(dòng)作采摘原理上可分為三類：直接分離、先夾持再分離、先吸持再夾持后分離［8］。

1.1 直接分離式末端執(zhí)行器

直接分離式采摘末端執(zhí)行器是通過振動(dòng)或剪切等方式直接將目標(biāo)果實(shí)振落或剪切分離枝干，落入果實(shí)收集軟管進(jìn)行回收。

直接分離式末端執(zhí)行器對(duì)視覺方面要求比較低，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也就隨之降低，但直接分離式末端執(zhí)行器少了夾持的采摘環(huán)節(jié)，對(duì)果實(shí)的穩(wěn)固性不佳，采摘時(shí)易造成果實(shí)損傷，且直接分離式末端執(zhí)行器存在單果采摘效率低等問題。

Kamata等［9］研發(fā)了南瓜擬人手采摘末端執(zhí)行器，視覺系統(tǒng)檢測(cè)到物體并將機(jī)械臂移動(dòng)到南瓜的所需位置后，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)五個(gè)手指進(jìn)行抓取并快速旋轉(zhuǎn)，置于手指兩側(cè)的刀片將果莖切斷實(shí)現(xiàn)南瓜采摘。

王毅［10］模仿蛇類咬合動(dòng)作原理研發(fā)柑橘采摘機(jī)器人，通過手指氣缸為對(duì)稱鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)提供剪切動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)刀片的咬合。Peterson等［11］設(shè)計(jì)了蘋果收獲機(jī)器人，在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)三輪式底盤上安裝傾斜移動(dòng)框架以及水平滑軌，帶動(dòng)液壓缸式振動(dòng)頭振動(dòng)，將蘋果從果柄上振落并收集。

大多數(shù)果蔬都易損傷，直接分離式末端執(zhí)行器由于缺乏用于穩(wěn)定果實(shí)的夾持機(jī)構(gòu)，提高了易將果實(shí)損傷的風(fēng)險(xiǎn)，為降低過果實(shí)損傷率的問題，大多末端執(zhí)行器會(huì)在結(jié)構(gòu)連接處增添柔性結(jié)構(gòu)或采取減震裝置等方式來降低果蔬的損傷率。搖振直接分離式末端執(zhí)行器一般用于干果這類不易損傷果實(shí)的采收［12］。

1.2 夾持分離式末端執(zhí)行器

夾持再分離式采摘末端執(zhí)行器是先通過夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)果實(shí)的穩(wěn)固，再由對(duì)應(yīng)的剪切分離機(jī)構(gòu)將目標(biāo)果實(shí)與果柄分離。

Arad等［13］設(shè)計(jì)了甜椒采摘末端執(zhí)行器，該末端的執(zhí)行器先通過RGB-D攝像機(jī)進(jìn)行甜椒圖像定位，操縱器隨后移向甜椒，并確定莖稈相對(duì)于甜椒的位置，然后旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器使莖位于水果后面，接著使用視覺伺服系統(tǒng)向目標(biāo)移動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)甜椒時(shí)，安裝在末端執(zhí)行器上的夾持裝置夾持住甜椒，啟動(dòng)末端執(zhí)行器上的振動(dòng)刀，垂直于夾持方向移動(dòng)以切割甜椒梗。

Davidson等［14］設(shè)計(jì)了三指蘋果夾持分離式末端執(zhí)行器，以輪式電動(dòng)車搭載7自由度并聯(lián)式機(jī)械臂裝有三指夾持分離式末端執(zhí)行器，夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)安裝有橡膠墊以降低對(duì)果實(shí)的損傷，采用拉動(dòng)線纜使手指彎曲夾持蘋果，通過旋轉(zhuǎn)將果梗扭斷。由于采摘過程中未綁定枝干上的果實(shí)，夾持果實(shí)扭斷的方式不易將目標(biāo)果實(shí)扭下，所以需通過進(jìn)一步優(yōu)化末端執(zhí)行器的力傳感器和果—柄定位來提高采摘效率。陳燕等［15］設(shè)計(jì)了荔枝采摘末端執(zhí)行器，采用夾剪一體式結(jié)構(gòu)，夾持手指隨刀片閉合對(duì)果梗進(jìn)行剪切，采用夾剪一體化將目標(biāo)果實(shí)與果柄分離，降低了對(duì)果柄定位的要求，提高了采摘效率。

徐麗明等［16］設(shè)計(jì)了臍橙采摘末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器由吸附裝置、夾持、剪切機(jī)構(gòu)組成，通過下氣缸為吸盤提供動(dòng)力吸取果實(shí)，夾持機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)絲杠對(duì)果實(shí)進(jìn)行夾持對(duì)果實(shí)進(jìn)一步穩(wěn)固，剪切機(jī)構(gòu)動(dòng)力由上氣缸提供，該末端執(zhí)行器采摘效率較高，但對(duì)果柄較短的果實(shí)可能會(huì)導(dǎo)致采摘失敗。

夾持分離式末端執(zhí)行器相比于直接分離式末端執(zhí)行器對(duì)果實(shí)的穩(wěn)固性更好，并且為降低果實(shí)損傷率，其夾持機(jī)構(gòu)的材料一般選用柔性材料。由于多了夾持穩(wěn)固果實(shí)的采收環(huán)節(jié)，對(duì)目標(biāo)果實(shí)的定位要求也隨之變高。

1.3 吸持夾持分離式末端執(zhí)行器

先吸持再夾持后分離式采摘末端執(zhí)行器是先通過真空吸盤的輔助吸持作用將目標(biāo)果實(shí)穩(wěn)定，再由夾持裝置進(jìn)行夾持，最后通過擰、折、拽等動(dòng)作將目標(biāo)果實(shí)與果柄分離。

Setiawan等［17］設(shè)計(jì)了蘋果采摘機(jī)器人，其末端執(zhí)行器由兩個(gè)裝有氣囊的圓杯構(gòu)成，當(dāng)果實(shí)進(jìn)入圓杯內(nèi)時(shí)，氣囊開始充氣夾持住目標(biāo)果實(shí)，從而避免果實(shí)的損傷。Baeten等［18］設(shè)計(jì)了蘋果采摘末端執(zhí)行器，當(dāng)末端執(zhí)行器接近蘋果過程中，蘋果就被吸到末端執(zhí)行器處，通過旋轉(zhuǎn)使果實(shí)與果柄分離。Ling等［19］設(shè)計(jì)的西紅柿采摘機(jī)器人，真空吸盤將果實(shí)吸住并將目標(biāo)果實(shí)拉離果束，再由四指夾持手爪包絡(luò)果實(shí)扭轉(zhuǎn)完成采摘。Tanigaki等［20］設(shè)計(jì)的櫻桃采摘末端執(zhí)行器，采摘首先通過吸持裝置吸住果實(shí)并將果實(shí)拉離果束，再通過夾持手爪夾持穩(wěn)固目標(biāo)果實(shí)，最后旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)手爪將果實(shí)與果柄分離。Van等［21， 22］針對(duì)黃瓜的吊蔓栽培設(shè)計(jì)了采摘機(jī)器人，利用加裝了吸盤的氣動(dòng)夾持器對(duì)黃瓜進(jìn)行夾持固定，接著用熱切割裝置對(duì)黃瓜果梗進(jìn)行切割，試驗(yàn)表明采摘率達(dá)74.5%，采摘率不高的原因主要是由于末端執(zhí)行器無法對(duì)有樹葉遮擋的果梗進(jìn)行精確定位從而無法完成熱切割。

由于吸持夾持式末端執(zhí)行器一般采用真空吸持或者氣囊的形式，將目標(biāo)果實(shí)吸持穩(wěn)定住，大大降低了果實(shí)的損傷率，同時(shí)由于少了夾持環(huán)節(jié)，所以多果采摘效率較低，單果采摘效率相對(duì)較高。

2 果蔬采摘末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式

根據(jù)驅(qū)動(dòng)類型，機(jī)器人末端執(zhí)行器可分為真空末端執(zhí)行器、磁性末端執(zhí)行器、液壓末端執(zhí)行器、氣動(dòng)末端執(zhí)行器和電動(dòng)末端執(zhí)行器［23］。真空末端執(zhí)行器是根據(jù)伯努利原理工作，在夾持板和物體表面之間產(chǎn)生高速氣流，從而產(chǎn)生真空［24］。氣動(dòng)末端執(zhí)行器和電動(dòng)末端執(zhí)行器是最常用的末端執(zhí)行器。氣動(dòng)末端執(zhí)行器可提供高夾持力，電動(dòng)末端執(zhí)行器可輕松精確控制。由于液壓系統(tǒng)中輔助結(jié)構(gòu)的要求，液壓末端執(zhí)行器提供了強(qiáng)大的抓取能力，同時(shí)也存在體重過大的缺點(diǎn)，所以一般用液壓驅(qū)動(dòng)的末端執(zhí)行器很少。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)采摘末端執(zhí)行器的精準(zhǔn)控制、靈敏度和精度較高、信號(hào)傳輸速度快、便于集中控制。

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制手指精準(zhǔn)抓取目標(biāo)果實(shí)，魏博等［25］研發(fā)了柑橘采摘末端執(zhí)行器示，電機(jī)控制手指實(shí)現(xiàn)目標(biāo)果實(shí)抓取動(dòng)作，再由旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)手爪旋轉(zhuǎn)將果實(shí)擰下來，完成對(duì)果實(shí)的采摘。Zhao等［26］設(shè)計(jì)了兩指蘋果采摘末端執(zhí)行器，兩指內(nèi)面貼有力傳感器用于感應(yīng)夾持力，電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩指進(jìn)行開合，但由于整個(gè)采摘過程需要低電壓和低速完成，導(dǎo)致采摘效率低下，采摘總耗時(shí)過長(zhǎng)。李國(guó)立［27］設(shè)計(jì)了桶狀蘋果末端執(zhí)行器，電機(jī)控制刀片和攏果器將果實(shí)包絡(luò)起來，位置傳感器檢測(cè)到目標(biāo)果實(shí)完全進(jìn)入末端執(zhí)行器后，刀片配合攏果器將目標(biāo)果實(shí)果柄剪斷。

2.2 磁性末端執(zhí)行器

磁性末端執(zhí)行器是使用改良磁流變液或磁性材料進(jìn)行抓取的末端執(zhí)行器。磁流變液可能在磁場(chǎng)激活期間產(chǎn)生應(yīng)力，磁流變液末端執(zhí)行器通過黏附磁流變液末端執(zhí)行器的特性來抓取物體［28］。磁流變液末端執(zhí)行器可以避免硬接觸，柔順表面也有助于處理各種形狀和易碎物體。

為克服傳統(tǒng)末端執(zhí)行器的硬接觸，減少擦傷和目標(biāo)果實(shí)破損的風(fēng)險(xiǎn)，Pettersson等［29］研究了一種具有順應(yīng)性可變形的磁流變液式末端執(zhí)行器；磁流變液可以在磁場(chǎng)激活期間產(chǎn)生應(yīng)力，末端執(zhí)行器通過黏附磁流變液末端執(zhí)行器的特性來抓取物體，MR沖液袋中的磁流液體在磁場(chǎng)的變化下變成牛頓液體對(duì)目標(biāo)果實(shí)輪廓包裹，在單元驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下完成果實(shí)的采摘。

Tsugami等［30］在原先的磁流變液式末端執(zhí)行器的基礎(chǔ)之上，利用電磁鐵和永磁體研究出一種新的磁流變液末端執(zhí)行器，抓取末端執(zhí)行器壓在目標(biāo)物體上并用彈性膜覆蓋，抓取器繼續(xù)下降，直到永磁體吸附電磁鐵，彈性膜固定到物體的形狀，隨后物體和彈性膜之間的接觸面上產(chǎn)生的摩擦力使末端執(zhí)行器能夠提起目標(biāo)物體。但磁流變液末端執(zhí)行器存在抓取力取決于磁流變液的黏度和密度，抓取過程時(shí)間過長(zhǎng)，以及磁流變液在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中費(fèi)用較昂貴等問題。

2.3 混合驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器

大多數(shù)類型的末端夾持器通常由一種驅(qū)動(dòng)控制，混合驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器整合了不同驅(qū)動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高性能；還可以將軟材料和剛性材料結(jié)合在一起，制成混合末端執(zhí)行器。

Chiu等［31］結(jié)合不同驅(qū)動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)研發(fā)番茄欠驅(qū)動(dòng)四指采摘末端執(zhí)行器，各個(gè)手指由四個(gè)彈性關(guān)節(jié)組成，指面附有彈性泡沫橡膠，手爪中心位置裝有吸嘴，水果被吸盤吸住，雙軸氣缸就會(huì)收縮真空吸盤噴嘴，將水果拉入吸盤，隨后開合板閉合，螺線管拉動(dòng)導(dǎo)線，使四個(gè)手指同時(shí)彎曲和夾緊，從而抓取目標(biāo)果實(shí)，最后通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將果實(shí)扭轉(zhuǎn)下。

紀(jì)超等［32］設(shè)計(jì)了溫室黃瓜采摘機(jī)器人，雙目相機(jī)、近紅外濾光片等對(duì)目標(biāo)果實(shí)識(shí)別定位，當(dāng)末端執(zhí)行器靠近黃瓜時(shí)微動(dòng)開關(guān)啟動(dòng)，隨后柔性手爪夾持黃瓜，手爪上裝有壓力反饋接收裝置，壓力到達(dá)設(shè)定反饋值后驅(qū)動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)180°切割果梗完成采摘。

2.4 氣動(dòng)末端執(zhí)行器

氣動(dòng)末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)是通過外部安裝的氣缸實(shí)現(xiàn)。Muscato等［33］研究了一種氣動(dòng)柔性三指夾持柑橘的末端執(zhí)行器，通過視覺系統(tǒng)定位目標(biāo)果實(shí)，柔性三指末端執(zhí)行器靠近果實(shí)并包絡(luò)住果實(shí)，激活氣動(dòng)實(shí)現(xiàn)的手指的抓取動(dòng)作，隨著壓力的增加手指閉合，從而確保在移動(dòng)時(shí)牢牢抓住，最后利用圓鋸片對(duì)果柄進(jìn)行剪切。Kondo等［34， 35］研發(fā)的高架草莓氣動(dòng)采摘機(jī)器人，該末端執(zhí)行器的吸持裝置提供真空氣動(dòng)，采摘時(shí)，先由吸持裝置吸持住草莓，再由末端執(zhí)行器夾住并切斷果梗完成采摘。

綜上所述，不同方式驅(qū)動(dòng)的采摘末端執(zhí)行器都存在一定的不足，不同末端執(zhí)行器的工作原理、驅(qū)動(dòng)方式的不同也致使采摘末端執(zhí)行器在采摘效率、損傷率等方面差別很大，直接分離式末端執(zhí)行器對(duì)于視覺方面要求比較低，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也就隨之降低，但直接分離式末端執(zhí)行器少了夾持的采摘環(huán)節(jié)，對(duì)果實(shí)的穩(wěn)固性不佳。絕大多數(shù)夾持式采摘末端執(zhí)行器是通過先夾持固定住目標(biāo)果實(shí)后用剪切或扭斷等方式完成采摘，這種采摘方式采摘效率低，且對(duì)于表皮薄的果實(shí)會(huì)有一定的損傷。非夾持式采摘末端執(zhí)行器如真空泵吸入式，少了夾持環(huán)節(jié)單果采摘效率相對(duì)較高，以氣缸為驅(qū)動(dòng)的采摘末端執(zhí)行器可以提供高抓取速度和強(qiáng)大的夾持力，且價(jià)格低、易于控制，廣泛應(yīng)用于采摘末端執(zhí)行器當(dāng)中。液壓驅(qū)動(dòng)的采摘末端執(zhí)行器由于質(zhì)量過大，會(huì)造成采摘效率低等問題，一般采用的較少。

3 存在問題

在過去的幾十年里，各種果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器取得了頗多進(jìn)展，包括電動(dòng)末端執(zhí)行器、磁性末端執(zhí)行器、氣動(dòng)末端執(zhí)行器等。為降低運(yùn)營(yíng)成本和提高效率，在農(nóng)業(yè)機(jī)器人上安裝各種末端執(zhí)行器，用于機(jī)器人抓取果蔬以及農(nóng)產(chǎn)品。到目前為止，執(zhí)行器、傳感器、材料科學(xué)和基于人工智能的控制算法的發(fā)展果蔬采摘機(jī)器人更加快速，果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和機(jī)械化的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

與工業(yè)末端執(zhí)行器相比，由于農(nóng)業(yè)的環(huán)境的特殊性以及復(fù)雜性，造成采摘目標(biāo)的精確識(shí)別定位存在難點(diǎn)，識(shí)別難點(diǎn)一直制約著農(nóng)業(yè)機(jī)器人以及末端執(zhí)行器的快速發(fā)展；同時(shí)農(nóng)業(yè)末端采摘對(duì)抓取的精度要更求高，且絕大多果蔬以及農(nóng)產(chǎn)品都是易損傷的，容易留下劃痕或碰傷果蔬，同樣迫使農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)上全面普及使用面臨挑戰(zhàn)；末端執(zhí)行器的質(zhì)量大，通用性差、采摘效率低和裝置成本高等問題的存在，未能實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的商業(yè)化。

機(jī)器人在實(shí)地進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，除識(shí)別定位和采摘?jiǎng)幼饕酝?，還存在導(dǎo)航、搬運(yùn)、放置目標(biāo)等多個(gè)環(huán)節(jié)，以及后期需要人工對(duì)機(jī)器人進(jìn)行充電維修等處理，完全實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)化智能化機(jī)器人仍面臨挑戰(zhàn)。針對(duì)果蔬末端執(zhí)行器，結(jié)合目前采摘末端執(zhí)行器分析，本文提取近5年果蔬采摘相關(guān)期刊、論文，并對(duì)其中比較重要的關(guān)鍵詞進(jìn)行歸納梳理如表1所示。

4 發(fā)展趨勢(shì)

果蔬機(jī)械化采摘在近5年內(nèi)的研究仍以采摘機(jī)器人和末端執(zhí)行器為主，研究的果蔬多以有別于枝葉顏色的果蔬為主，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，末端執(zhí)行器的發(fā)展與研究將促進(jìn)未來果蔬農(nóng)業(yè)的智能化與機(jī)械化的發(fā)展，在未來發(fā)展的趨勢(shì)可能如下。

1） 降低采摘損傷率。末端執(zhí)行器的夾持部件或采摘手爪多由柔性材料構(gòu)成，柔性手爪對(duì)各種采摘果蔬的自適性更好，可以有效改善剛性?shī)A持的不足，有助于無損夾持的實(shí)施，且柔性手爪的包絡(luò)性更強(qiáng)，增加接觸面，將損傷率降至最低，并提供穩(wěn)定的抓取。

2） 提高智能化和個(gè)性化發(fā)展。末端執(zhí)行器具有多傳感器、高自由度和智能控制系統(tǒng)，抓取器的設(shè)計(jì)和控制充分考慮到果蔬的物理、化學(xué)和生物特性。

3） 增加多種驅(qū)動(dòng)方式。結(jié)合各個(gè)驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，末端執(zhí)行器上的驅(qū)動(dòng)方式不再僅限為單一驅(qū)動(dòng)，混合驅(qū)動(dòng)夾持末端執(zhí)行器將成為農(nóng)業(yè)用途的新解決方案。

4） 降低漏采率。針對(duì)樹枝或樹葉在采摘過程中會(huì)妨礙視覺圖像處理這一問題，利用撥枝結(jié)構(gòu)配合圖像識(shí)別系統(tǒng)將干擾樹枝撥開，再通過吸持扭轉(zhuǎn)或者夾持剪切等方式將果實(shí)采摘下，降低漏采率。

5） 提高末端執(zhí)行器通用性。目前的末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)基本是針對(duì)某一種采摘對(duì)象，通用性差。末端執(zhí)行器若能適用于物理、生物特性相似的采摘對(duì)象，將降低采摘成本。

6） 降低末端直執(zhí)行器的質(zhì)量。末端執(zhí)行器要實(shí)現(xiàn)快速無損采摘就必須解決質(zhì)量大這一問題，減輕質(zhì)量的同時(shí)也可以降低末端執(zhí)行器在高速運(yùn)動(dòng)中帶來的碰撞破壞。

5 結(jié)語

1）" 在過去的幾年中，各種末端執(zhí)行器已配合果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘農(nóng)產(chǎn)品，降低果蔬業(yè)運(yùn)營(yíng)成本、提高效率。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的果蔬采摘末端執(zhí)行器按采摘方式、驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了梳理和分析，國(guó)內(nèi)目前的采摘方式多為剪切或扭轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)方式大多采用電機(jī)或氣缸，國(guó)內(nèi)末端執(zhí)行器的研究相對(duì)落后，雖然國(guó)外對(duì)果蔬采摘末端執(zhí)行器研究較早，但采摘機(jī)器人需要多領(lǐng)域的協(xié)同技術(shù)保證，技術(shù)難度較大，加上室外實(shí)地采摘影響因素較多，致使目前絕大多數(shù)采摘機(jī)器人還處于試驗(yàn)研究階段。

2） 比較討論不同類的末端執(zhí)行器的優(yōu)缺點(diǎn)，許多果蔬采摘末端執(zhí)行器存在著通用性差、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等問題，這些都阻礙了果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展。因此，研究通用性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便、成本低經(jīng)濟(jì)效益高的果蔬采摘末端執(zhí)行器至關(guān)重要。

3）" 闡述末端執(zhí)行器在農(nóng)業(yè)和應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和未來潛在的發(fā)展趨勢(shì)，隨著國(guó)家對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的裝備投入力度逐漸增大，以及視覺定位、圖像處理、控制系統(tǒng)等機(jī)械智能化的研究技術(shù)的不斷成熟，果蔬采摘機(jī)械化、智能化將會(huì)很快成為現(xiàn)實(shí)。

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